Ključni alati za bušenje u bušotinama: Sveobuhvatni vodič za klasifikaciju i primjenu valjkastih konusnih svrdla i dijamantskih svrdla

01 Valjkasta konusna svrdla: Svestrani alati za prilagođavanje formacijama

Od svoje pojave 1909. godine, valjkasto-konusna svrdla postala su najčešće korišteni tip svrdla u rotacijskom bušenju. Njihov jedinstveni višekonusni strukturni dizajn omogućava im da se prilagode različitim uvjetima formacije, od mekih do izuzetno tvrdih.

Strukturni sastav i osnovne tehnologije

Valjkasto konusno svrdlo sastoji se od pet osnovnih komponenti:

• Tijelo svrdla: Tri konusne noge zavarene zajedno, s priključnim navojem na gornjem dijelu.
• Valjkasti konusi: Konusna metalna tijela s glodanim zubima ili umetnutim zubima na površini.
• Sistem ležajeva: Sastoji se od četiri seta ležajeva: velikih, srednjih, malih i aksijalnih ležajeva.
• Mlaznice: Obično ih ima 3-4, promjera 7-14 mm.
• Sistem za skladištenje i zaptivanje ulja: Gumeni ili metalni zaptivni prstenovi kombinovani sa uređajima za kompenzaciju pritiska.

Među njima, tehnologija zaptivanja ležajeva predstavlja ključni tehnološki proboj za valjkaste konusne svrdla. Moderna svrdla usvajaju sistem za kompenzaciju pritiska skladištenja ulja, koji održava dinamičku ravnotežu između pritiska ulja u šupljini ležaja i pritiska u koloni fluida za bušenje putem komponenti kao što su otvori za prenos pritiska, dijafragme za kompenzaciju pritiska i uljne čašice.

Sistem klasifikacije i IADC kodiranje

Međunarodno udruženje izvođača bušenja (IADC) razvilo je globalno ujedinjeni standard klasifikacije za valjkaste konusne svrdla, koristeći trocifreni sistem kodiranja:

Prva cifra: Vrsta zuba i odgovarajuća formacija

1: Glodani zubi, meke formacije

2: Glodani zubi, srednje do srednje tvrde formacije

3: Glodani zubi, tvrde i abrazivne formacije

5: Umetnite zube, meke do srednje formacije

6: Umetnuti zubi, srednje tvrde formacije

7: Umetnite zube, tvrde i abrazivne formacije

8: Umetnuti zubi, izuzetno tvrde i visoko abrazivne formacije

Druga cifra: Podjela tvrdoće formacije (Ocjena 1-4; veći brojevi označavaju tvrđe formacije)

Treća cifra: Strukturne karakteristike bita

4: Zatvoreni valjkasti ležajevi

6: Zatvoreni klizni ležajevi

7: Zatvoreni klizni ležajevi + zaštita umetnutih mjerača

8: Skretne svrdla za usmjereno bušenje

Pojednostavljeni IADC sistem klasifikacije za valjkaste konusne svrdla

Mehanizam lomljenja stijena i karakteristike kretanja

Tokom rada, valjkasto-konusno svrdlo pokazuje tri vrste kompozitnog kretanja:

• Revolucija: Konusi se okreću u smjeru kazaljke na satu zajedno s cijelim svrdlom.
• Rotacija: Zubi se okreću suprotno od smjera kazaljke na satu oko ose konusa.
• Klizanje: Uključujući radijalno i tangencijalno klizanje.

Ovo kompozitno kretanje postiže dvostruki efekat razbijanja stijena:

1.Efekat udarnog gnječenja: Naizmjenični kontakt jednostrukih i dvostrukih zuba s donjom rupom generira uzdužne vibracije, stvarajući udarna opterećenja.

2.Efekat kliznog smicanja: Smicanje stijena postiže se projektovanjem prepusta, dvostrukog konusa i pomaknutih struktura.

Strategija odabira i usklađivanje formacija 

Osnovni principi za odabir valjkastih konusnih svrdla na osnovu svojstava stijene:

• Meke formacije: Odaberite svrdla sa ofsetnim, prepuštenim i dvostruko konusnim strukturama, opremljena visokim, širokim i rijetko glodanim ili umetnutim zubima.
• Srednje tvrde formacije: Smanjite vrijednosti pomaka, prepusta i dvostrukog konusa; koristite kratke, uske i guste zube.
• Tvrde i abrazivne formacije: Usvojite valjke s jednim konusom bez prevjesa ili pomaka, opremljene kuglastim ili konusno-kugličnim zubima.
• Formacije sklone deformaciji: Odaberite svrdla s kratkim zubima bez pomaka ili s malim pomakom i bez mjernih zuba.
• Isprepletene meke i tvrde formacije: Odaberite tipove svrdla na osnovu tvrđe stijene i dinamički prilagodite parametre tokom bušenja.

Odgovor na posebne uslove rada

• Male bušotine (<177 mm): Koristite konusne svrdla s jednim valjkom, koja imaju veće konuse, zube i ležajeve za veću čvrstoću.
• Usmjereno bušenje: Odaberite specijalne skretne svrdla s trećom znamenkom IADC koda 8. 

02 Dijamantska svrdla: Moćni alati za tvrde formacije 

Kao najtvrđi materijal u prirodi, dijamant ima Mohsovu tvrdoću 10. stepena, tlačnu čvrstoću do 8800 MPa i otpornost na habanje 9000 puta veću od čelika. Iskorištavajući ovo svojstvo, dijamantske svrdla su postala ultimativni alat za rješavanje tvrdih formacija.

Sistem klasifikacije i tehnološka evolucija

Moderni dijamantski svrdla se uglavnom dijele na tri vrste:

1.Dijamantska svrdla s površinskim učvršćivanjem

• Dijamantne čestice su izložene na površini matrice.
• Pogodno za srednje tvrde do tvrde formacije.
• Klasifikacija veličine čestica dijamanta:
• Meke formacije: 2 zrna po karatu (gpc) (veličina čestica cca. 4 mm)
• Srednje tvrde formacije: 3-4 gpc (veličina čestica cca. 3,6 mm)
• Tvrde formacije: 10-15 gpc (veličina čestica cca. 2,0 mm)

2.Impregnirani dijamantski svrdla

• Dijamanti su impregnirani unutar matrice (60-400 gpc).
• Pogodno za tvrde i abrazivne formacije (npr. kremen, silikatni dolomit).
• Samooštrenje dijamanata postiže se trošenjem matrice.

3.PDC svrdla (kompaktna svrdla od polikristalnog dijamanta)

• Prvi put ga je predstavila kompanija General Electric (GE) iz Sjedinjenih Američkih Država 1973. godine.
• Kompaktna struktura: Sloj dijamanta + podloga od cementiranog karbida.
• Pogodno za meke do srednje tvrde homogene formacije.

Strukturni dizajn i osnovni parametri

Dijamantska svrdla imaju integralni dizajn bez pokretnih dijelova, uglavnom uključujući:

• Čelično tijelo: Napravljeno od srednje ugljičnog čelika, s priključnim navojem na gornjem dijelu.
• Matrica: Prah volframovog karbida + vezivni metal na bazi bakra, tvrdoće HRC 30-45.
• Elementi za rezanje: Prirodni/sintetički dijamanti ili PDC kompakti.
• Hidraulička konstrukcija: Vodotoci i kanali protoka (radijalni, spiralni, itd.).

Ključni parametri dizajna

• Koncentracija dijamanta: Prilagođena na osnovu abrazivnosti formacije; veća koncentracija za abrazivnije formacije.
• Visina izbočenja:
• Meke formacije: 1/3 veličine čestica
• Tvrde formacije: 1/6-1/10 veličine čestica
• Oblik usana:
• Ravno dno: Za homogene formacije
• Zakrivljeno: Za tvrde formacije
• Nazubljeno: Za abrazivne formacije

Mehanizam lomljenja stijena i odgovor formacije

Metoda razbijanja stijena dijamantskim svrdlima varira ovisno o svojstvima formacije:

Plastične formacije (npr. muljeviti kamen, gips): Slično procesu "oranja"; dijamanti prodiru u formaciju i uzrokuju plastični tok stijene.

Krhke formacije (npr. kvarcni pješčar): Formiraju se volumetrijske drobne jame, s veličinom rezanja 2-4 puta većom od izbočenja dijamanata, što rezultira visokom efikasnošću.

Tvrde stijene (npr. kremen, silikatna stijena): Koriste se impregnirani svrdla, a lomljenje stijene se postiže mikrorezanjem i grebanjem, slično abraziji brusnog kotača.

Tehničke prednosti i ograničenja PDC bitova

Kao revolucionarni proizvod u porodici dijamantskih svrdla, PDC svrdla imaju jedinstvene prednosti:

Strukturne karakteristike

PDC svrdla sa čeličnim tijelom: Integralni srednjeugljični čelik sa površinskim kaljenjem.

Matrix-Body PDC Bitovi: Gornje čelično tijelo + donja matrica od volfram-karbida, nude bolje performanse.

Dizajn profila

Parabolični: Za meke formacije, omogućavajući veliku dužinu i brzinu bušenja.

Okruglo: Za bušenje s rotacijskim stolom, olakšavajući prodiranje u tvrde međuslojeve.

Konusni: Za bušenje velikom brzinom, s dobrim performansama prodiranja.

Ograničenja aplikacije

Nije pogodno za šljunčane formacije i isprepletene meko-tvrde formacije.

Granica otpornosti na temperaturu (habanje se intenzivira iznad 350℃; do gubitka čvrstoće dolazi na 700℃).

Slaba otpornost na udarce; sklona je pojava odlomljivanja ivica novih svrdla.

Tabela za poređenje primjenjivih formacija za dijamantske svrdla

03 Vodič za naučni odabir: Usklađivanje formacija i operativnih zahtjeva

Zlatna pravila za odabir valjkastog konusnog svrdla

Uspoređivanje tvrdoće formacije

Meke formacije: Odaberite svrdla s velikim pomakom, prepustom i dvostrukim konusnim strukturama, opremljena klinastim ili žlicastim zubima.

Tvrde formacije: Usvojite jednokonusne, neofsetirane strukture, opremljene kuglastim ili konusno-kuglastim zubima.

Reakcija na abrazivnost

Za abrazivne formacije koristite umetke sa kalibriranim zubima.

Ako su zubi vanjskog reda zaobljeni, dok srednji zubi pokazuju malo habanja, sljedeći nastavak treba biti dizajniran s poboljšanom zaštitom od mjerenja.

Protumjere za posebne radne uslove

Formacije sklone deformaciji: Odaberite svrdla s kratkim zubima bez pomaka ili s malim pomakom; prilagodljivost formacije trebala bi biti nešto mekša od stvarne formacije.

Isprepletene meko-tvrde formacije: Odaberite svrdla na osnovu tvrđe stijene i dinamički prilagodite parametre tokom bušenja.

Bušenje dubokih dijelova bunara: Koristite svrdla s velikom ukupnom dužinom kako biste kompenzirali gubitak vremena izvođenja radova.

Strategija odabira dijamantskih svrdla

Primjenjivi uslovi za PDC bitove

Optimalni scenariji: Duge homogene meke do srednje tvrde formacije (npr. škriljac, muljeviti kamen, gips).

Zabranjeni scenariji: Šljunčane formacije, proslojci kremena, proslojci meko-tvrdih formacija.

Podešavanje parametara: Nizak WOB (30-60 kN), visoki broj okretaja (100-300 o/min), veliki protok.

Primjenjivi uslovi za svrdla od prirodnih/sintetičkih dijamanata

Tvrde do izuzetno tvrde formacije (npr. granit, kvarcni pješčar).

Visoko abrazivne formacije (npr. kremen, silikatni dolomit).

Bušenje turbinama, duboke/ultraduboke bušotine i operacije vađenja jezgra.

Posebni zahtjevi za krune za bušenje

Valjkasto-konusne krune za bušenje: Dizajn sa četiri valjkasta konusa (konusni/cilindrični) ili šest valjkasta konusa (potpuni cilindrični).

Dijamantska kruna za bušenje: Zahtijeva simetrično raspoređene rezne ivice s konzistentnom otpornošću na habanje.

Ključni pokazatelj: Koncentričnost između unutrašnjeg otvora i vanjskog kruga kako bi se izbjegla ovalizacija jezgra.

Procjena i rukovanje anomalijama u bušotini

Identifikacija radnog stanja valjkastog konusnog svrdla

Oštećenje ležaja: Periodično podrhtavanje rotacionog stola, pogoršanje pri visokom WOB-u, smanjena brzina bušenja, ali normalan pritisak pumpe.

Gubitak konusa: Jako zaglavljivanje bušenja, snažno kolebanje indikatora težine, promjena dubine uvrtanja prilikom izvlačenja bušaće kolone.

Trošenje zuba: Smanjeno opterećenje rotirajućeg stola, bez podrhtavanja, značajno smanjenje brzine bušenja.

Tabui za upotrebu dijamantskih svrdla

Donja rupa mora se očistiti prije spuštanja svrdla u bušotinu kako bi se osiguralo da u njoj nema metalnih ostataka.

Započnite bušenje s malim WOB-om i niskim brojem okretaja za "razradu" (kondicioniranje dna rupe od 0,5 m).

Izbjegavajte operacije razvrtanja; ako je potrebno, koristite nizak WOB i niske okretaje za ujednačen rad.

Kontakt:Jessie Zhou
Mobilni/Whatsapp:+0086-18109206861
Web:www.landrilltools.com